ATP-サルフォリラーゼ

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はじめに

硫酸還元細菌（SRB）は、地球上で最も古い酵素経路の一つである硫酸（SO4^2-）の硫化物（S^2-）への不均化還元に関与しています。SRBの中には、いくつかの細菌や古細菌が好気的条件下で代謝中に硫酸を末端電子受容体として利用できるものがあります。亜硫酸（SO3^2-）は、硫酸の還元プロセスを仲介する中間体として機能します。SRBは、生物地球化学的な硫黄循環や芳香族汚染物質の生分解において重要な役割を果たし、土壌における重要なプロセス（例えば、水銀メチル化など）の調整因子として利用されることがあります。

硫酸から陰イオンの硫化物への不均化還元経路には、3つの細胞質内酵素が関与しています：ATP硫酸リラーゼ（ATPS）、アデノシン5′-ホスホ硫酸（APS）還元酵素（APSR）、および不均化亜硫酸還元酵素（dSIR）です。その中で、ATPSはSO4^2--AMP結合の形成を担当し、硫酸陰イオンをアデノシン5′-ホスホ硫酸（APS）に活性化する触媒作用を持っています。このようなSO4^2-の活性化が必要な理由は、非常に低い酸化還元電位を持ち、有機酸や分子水素によって直接還元されることができないからです。この代謝経路を通じて放出される硫化物は、SRBの生息環境における金属構造物の腐食を引き起こす可能性があります。真核生物の同化経路では、特定の細菌や藻類において、ATPS反応のAPS生成物がAPSキナーゼの基質となり、3'位でリン酸化されて3′-ホスホアデノシン5′-ホスホ硫酸（PAPS）を生成します。PAPSは、多くの硫黄含有化合物の硫酸供与体として機能します。また、システインの生合成に必要な硫化物に還元されることもあり、これはメチオニンの硫黄供与体となる可能性があります。後生動物では、真菌や特定の藻類のATPSおよびAPSキナーゼがPAPS合成酵素と呼ばれるタンパク質に集まります。微細藻類ではさまざまなATPSアイソフォームが見つかっており、海藻や淡水藻類におけるATPSアイソフォームの多様性は、異なる硫酸の可用性がATPS酵素の進化に影響を与える可能性を示唆しています。

ATP硫酸リラーゼの結晶構造

ATPSは、ATPを使用して硫酸活性化の可逆反応を触媒する自然界に広く存在する酵素です。SRB、酵母、植物由来のATPSはすべて、単量体またはホモオリゴマー構造として特徴付けられています。ATPS-APS複合体の構造は、以下の生物に対して利用可能です：大豆（PDBコード：4MAF）、Penicillium chrysogenum（PDBコード：1I2D）、Saccharomyces cerevisiae（PDBコード：1G8H、1G8G、1JEE）、およびThermus thermophilus（PDBコード：1V47）。Penicillium chrysogenum（PDBコード：1I2D）と同様に、Saccharomyces cerevisiae（PDBコード：1G8H）由来のATPSの四次構造は、2つのトリマーリングに配置されたホモヘキサマー構造であることが決定されており、60°のねじれで重なっています（図1）。ATP硫酸リラーゼの結晶構造では、活性部位に4つの保存されたモチーフが観察されます：QXRN（Gln195-Thr196-Arg197-Asn198）、HXXH（His201-Arg202-Ala203-His204）、VGRDHAG（Val288-Gly289-Arg290-Asp291-His292-Ala293-Gly294）、およびPFR（Pro327-Phe328-Arg329）です。

図1. 20 nsの分子動力学（MD）シミュレーション後に得られたATPS-APS-Mg2+-ピロリン酸複合体のヘキサマー構造; B. 既知のATPS配列において観察された4つの保存されたモチーフ（Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019）

ATPS触媒反応の仮説

Saccharomyces cerevisiaeおよびPenicillium chrysogenum由来のATPSの結晶学的研究により、ATP結合がヘキサマーATPS構造において重要な変位を引き起こすことが明らかになりました。ATPSは、基質に対する親和性が高いR状態と、好ましくはアロステリック阻害剤であるT状態の少なくとも2つのコンフォメーションを採用できるアロステリック酵素であることがわかりました。ATP結合により、Phe328の側鎖が変位し、ATPSはR状態に変化します。活性部位領域を含むドメインIIの折りたたみは、ATPSがα/βホスホジエステラーゼのスーパーファミリーに属する可能性があることを示していますが、プロトマーの構造と1つのタンパク質鎖に存在する独立したトポロジーは、ATPSが新しいα/βタンパク質クラスを表す可能性も示唆しています。Escherichia coli K12のATPSの同位体トラッピング、質量分析、および動力学的研究に基づいて、ATPSが反応を触媒する方法の仮説が提唱されています。E. coliのATPSは、cysDおよびcysN遺伝子によってコードされたヘテロ二量体からなるテトラマーです。同位体トラッピング実験は、E. coliにおけるATPS反応がGTP依存の二段階プロセスであることを示しています。まず、酵素-AMP無水物とピロリン酸が形成され、その後、ピロリン酸の解離後に硫酸陰イオン（SO4^2-）が活性部位に入り、APSを形成します。ただし、AMP中間体の生成はGTP依存であり、硫酸の添加によって抑制されることは注目に値します。Saccharomyces cerevisiae由来のATPS-APS-PPi結晶構造に基づいてSYBYLによってモデル化されたATP分子の馬蹄型構造は、硫酸分子の直線的な求核攻撃を引き起こす可能性があります。

図2. AMP無水物中間体を通過するATPSのために提案された二段階SN-1反応メカニズム（Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019）

図3. モデル化されたATPS-ATP-硫酸構造に基づいて提案された一段階SN-2反応メカニズム（Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019）